ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 17
1964 Nr kol. 123
MIROSŁAW KRUPA3^
STOSOWANE ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE DLA ZWIĘKSZENIA WYDAJNOŚCI I SPRAWNOŚCI KOTŁÓW PAROWYCH
Instalowane w kraju jednostki kotłowe, projektowane w latach 1945-55» charakteryzują się wysoką temperaturą spalin wyloto
wych, co obniża ich sprawność termiczną. Przeciętna tempera
tura spalin wylotowych dla kotłów z tego okresu wynosi:
220*230°C - dla kotłów rusztowych, 180*220°C - dla kotłów pyłowych.
Okres projektowania i budowy kotła jest długi i wynosi od przyjęcia założeń do uruchomienia kotła ok. 3*4 lat. Poza tym opracowanie dokumentacji jest pracochłonne, a w kraju nie dys ponowaliśmy po wojnie dostateczną ilością biur konstrukcyj
nych. Korzystano wówczas z dokumentacji jednostek starszych, powtarzano ich konstrukcję, usuwając poprzednio wykryte wady.
Obecnie w wyniku stałego wzrostu zużycia energii elek
trycznej bilans paliwowo-energetyczny w kraju staje się napię ty, a tym samym powstał problem zmniejszenia zużycia paliw.
Znaczne oszczędności w rozchodzie paliw można uzyskać przez modernizację kotłów, których temperatura spalin wylotowych
je3t zbyt wysoka.
Przykładem takiego kotła jest rozpowszechniony w przemy
śle kocioł OR-16 o danych:
Wydajność 12,5/16 t/h
Ciśnienie koncesyjne 39,3 bar (40 atn) Temperatura pary przegrzanej 450°C (dla OR-16-1)
425°C (dla OR-16-2) ---
St. asyst, mgr inż. Mirosław Krupa, Katedra Kotłów i Siłowni Parowych.
68 Hirosław Krupa
Temperatura wody zasilającej Temperatura spalin za kotłem Sprawność termiczna
105°C 180°C 79%
Poza wysoką temperaturą spalin wylotowych wadą tego kotła jest zbyt wysoka temperatura wody za żeliwnym podgrzewaczem - bliska temperaturze nasycenia* co ze względów bezpieczeństwa jest niedopuszczalne* Szczególnie jaskrawo występuje to przy pracy kotła przy obniżonych parametrach*
Kotły OR-16 często pracują w przemyśle na niższych, niż to przewidywał projekt, parametrach pary, narzuconych współ»
pracą z istniejącymi już kotłanii*
Żeby przystosować kocioł OR-16 do pracy przy obniżonych parametrach [p « 29,4 bar (30 atn), t * ok* 400 C] i usunąć wyżej wymienione wady, Katedra zaproponowała następujące roz
wiązanie, które znalazło już zastosowanie (Cukrownia Gosławi
ce, Cukrownia Pszenno)* Zmniejszono powierzchnię ogrzewaną przegrzewacza pary ze 168 m2 w kotle OR-16-1 i 152 m2 w ko- tle OR-16-2 do około 120 n£, rozbudowując równocześnie sta
lowy podgrzewacz wody*
W wyniku przebudowy kotła uzyskano obniżenie temperatury podgrzania wody w żeliwnym podgrzewaczu do 170°C, obniżenie temperatury spalin wylotowych do 160°C, a tym samym poprawę sprawności kotła rzędu 1,4%* Opory przepływowe kotła wzrosły o 118 N/m2 (ok. 12 mm sł. wody), co leży w rezerwie sprężu wentylatora wyciągowego*
Z dalszych jednostek rusztowych, których modernizację prze prowadziła Katedra, można wymienić kocioł zainstalowany w E- lektrowni "Jerzy" przy Kopalni "Wieczorek"*
Kocioł został zbudowany w 1948 r* przez f-mę amerykańską Combustion Engineering Company New York, a zmontowany i uru
chomiony w 1950 r*
Typ kotła: stromorurowy, dwuwalczakowy (walczak górny i dolny) z ekranowaną komorą paleniskową i pęczkiem konwekcyj
nym, palenisko rusztowe na węgiel kamienny - ruszt taśmowy*
Dane kotła:.
Wydajność
Ciśnienie robocze
Temperatura pary przegrzanej Temperatura wody zasilającej
40/50 t/h
38,3 bar (39 atn) 450°C
105 °C
Stosowane rozwiązania konstrukcyjne dla zwiększenia*.*_____89
Temperatura spalin za kotłem Sprawność termiczna
210°C 79,5%
Celem przebudowy kotła było:
a) obniżenie temperatury spalin w czopuchu dla poprawienia cieplnej sprawności kotła,
b) zmniejszenie oporów przepływowych spalin tak, aby można było, bez wymiany istniejącego wentylatora ciągu zabu
dować w kotle odpylacz żaluzjowy.
Kocioł posiadał stalowy podgrzewacz'wody z naspawanymi żebra
mi wzdłuż osi rur (2 żebra na rurze)* Konstruktor kotła dla zwiększenia wymiany ciepła zastosował nie spotykane prędkości spalin rzędu 30 ni/s, co pociągnęło za sobą straty ciągu w pod grzewaczu A P * ok. 1080 N/n? (110 mm sł* wody) przy wydajno ści kotła 50 t/h.
Na skutek dużej szybkości spalin wężownice podgrzewacza wody były silnie erodowane przez unoszony ze spalinami popiół
lotny i często pękały*
W wyniku przebudowy kotła uzyskano obniżenie temperatury spalin wylotowych o ok. 35°C, co dało poprawę sprawności o 2%.
Szacunkowy koszt przebudowy podgrzewacza wody i zainstalowa
nia żaluzjowego odpylacza spalin wynosił 300 000 zł* Wartość rocznej oszczędności węgla wynikającej z poprawy sprawności kotła wynosi ok. 250 000 zł/rok* Okres amortyzacji nakładów na przebudowę kotła wyniósł zaledwie 15 miesięcy. Oprócz o- szczędności w rozchodzie węgla przebudowa kotła dała w efek
cie znaczne zmniejszenie erozji łopatek wentylatora, a więc zmniejszenie ilości napraw wirnika, zmniejszyła zapopielenie terenów elektrowni, a z uwagi na zły stan istniejącego pod
grzewacza wody wyeliminowała awaryjne postoje kotła*
Z kotłów pyłowych, jako przykład tego rodzaju prac wykony
wanych przez Katedrę można wymienić kotły OF-130, zbudowane przez Pierwszą Brneńską Fabrykę Maszyn i zainstalowane w kra
ju w kilku elektrowniach.
Dane kotłat Wydajność Ciśnienie
Temperatura pary przegrzanej Temperatura wody zasilającej
105/130 t/h 78,6 bar (80 atn)
500°C 205°C
90 Mirosław Krupa
Temperatura spalin za kotłem Sprawność kotła
210°C 87%
Kocioł ten charakteryzuje edę niskim cieplnym obciążeniem komory paleniskowej, wynoszącym 163 kj/rn^ s (ok. 140 000 kcal/
m3 h)* Graniczne obciążenie cieplne komory paleniskowej można określić wzorem
gdzie r
- wartość opałowa paliwa,
• - ilość ciepła zawarta w powietrzu zużytym do spalenia 1 kg paliwa,
- stopień wypełnienia płomieniem komory paleniskowej, v r masa spalin wywiązanych z 1 kg paliwa,
Tsp - średnia temperatura w komorze paleniskowej,
W instalacjach kotłowych czas zapłonu T Jest bardzo mały,
można więc przyjąć z
(
1)
(
2)
T z - czas zapłonu cząstki pyłu, r - czas spalania cząstki pyłu*
(2a)
Czas spalania wg Gumza można obliczyć wzorem .
r
sp [s] (3)Stosowane rozwiązania konstrukcyjne dla zwiększenia»«» 91
Objaśnienia wielkości występujących we wzorze (3) patrz lite
ratura [3]» Dla węgli energetycznych spalanych w kotłach pyło wych granulacyjnych najwłaściwszy przemiał w myśl dotychcza
sowych doświadczeń można określić następującymi pozostało
ściami na sitach:
R0,09 “ 25^ E0,20 s ^
Dla ziarna o średnicy d = 200 f i czas spalania w warunkach jak w komorze paleniskowej wg wzoru (3) wynosi Z = 1,62 s.
sp
Graniczne obciążenie komory paleniskowej dla powyższego czasu spalania osiąga wartość
^ = 242 kj/m3 s (208 000 kcal/m3h)
Analiza pracy kotła w oparciu o wyniki obliczeń i przepro
wadzone pomiary wykazała, że kocioł można przystosować do zwiększonej wydajności i równocześnie poprawić jego sprawność przez obniżenie temperatury spalin wylotowych»
Pod koniec 1961 r. kocioł został przebudowany wg projektu Katedry.
Przebudowa polegała na:
a) zabudowaniu grodziowego przegrzewacza pary w górnej czę ści komory paleniskowej,
b) usunięciu I i II pęczka konwekcyjnego przegrzewacza pa
ry,
c) zwiększeniu powierzchni ogrzewanej podgrzewacza wody, d) zwiększeniu powierzchni ogrzewanej podgrzewacza powie
trza*
W wyniku przebudowy kotłów 0F-13G w Elektrowni Czechnica uzyskano zwiększenie ich wydajności do 155 t/h, co umożliwiło dodatkowe zainstalowanie turbozespołu kondensacyjnego 32 MIT*
Poza tym pomiary kotła wykonane przez "Energopomiar” potwier
dziły zwiększenie sprawności o ok. 2,5% tj. z 87% do 89,5%
przy obciążeniu 130 t/h i o ok. 2% przy obciążeniu 155 t/h. .
92 Mirosław Krupa
Zwiększenie sprawności kotła dało oszczędność paliwa ok.
3120 t/rok przy rocznym czasie użytkowania maksymalnej wydaj
ności kotła 4800 h/rok* Przyjmując cenę spalanego węgla loco Elektrownia 230,- zł/i = 20100 kj/kg (4800 kcal/kg)], rocz na oszczędność wyniesie ok. 716 000 zł/rok. Szacunkowy koszt przebudowy 1 kotła wynosił 2.200.000 zł. Okres amortyzacji na
kładów inwestycyjnych na przebudowę kotła wyniósł ok. 3 lat*
Opracowane konstrukcje i ich pomiary umożliwiły Katedrze sprawdzenie współczynników przyjmowanych w obliczeniach ter
micznych i aerodynamicznych oraz dobieranie właściwych wiel
kości dla nowo budowanych jednostek.
Należy tu podkreślić, że każda przebudowa kotła, szczegól
nie o większym zakresie, kryje w sobie ryzyko nieosiągnięcia zamierzonych wyników. Często np. zmiana powierzchni ogrzewa
nej przegrzewacza pary nie daje zamierzonego obniżenia tempe
ratury pary. Jest to najczęściej przyczyną niewłaściwego roz- piywu spalin w przegrzewaczu, czego nie można uwzględnić w oh liczeniach.
w najbliższym czasie Katedra Kotłów i Siłowni Parowych uru chomi stoisko badawcze do badań aerodynamicznych przebudowy
wanych, jak również nowo budowanych w kraju kotłów, celem sprawdzenia przepływu spalin przez kocioł i tym samym pewniej szego dobierania współczynników obliczeniowych.
LITERATURA
[1] Tieplowoj rasczot kotielnych agrlegatow, normatiwnyj mis- tod, Gosenérgoizdat 1957«
[2] Gumz W.: Kurzes Handbuch der Brennstoff- u.Feuerungstech- nik, Springer-Verlag 1962.
[3] Ledinegg Mir Dampferzeugung Dampfkessel, Feuerungen Theo
rie, Konstruktion, Bietrieb. Springer-Verlag, Wien 1952*
